科学网—【文献推荐】利用高分辨率遥感对不同植被类型的干旱脆弱性进行多尺度评估

引文链接

http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154970

Abstract

在气候变化的背景下，干旱影响监测至关重要。然而，我们缺乏对生态系统对各种干旱特征的响应以及干旱与生态系统异常特征之间的联系的理解，从而为综合植被类型提供所需的水资源管理信息。

本文提出了一个新的框架，使我们能够更详细地探索干旱及其对生态系统影响之间的关系。具体来说，我们的框架侧重于使用四对指标联合评估干旱事件的水文和生态系统的时间演变和异常：干旱和植被破坏的起始时间、持续时间、干旱强度-植被异常强度和干旱严重程度-植被异常严重程度。此外，我们引入了一个关于植被脆弱性的指标，该指标反映了沿干旱严重程度增加梯度的增加植被破坏严重程度的变化。

基于此框架，我们在高时空分辨率下评估了2018年荷兰和比利时不同植被类型的干旱脆弱性时空格局。我们的研究结果揭示了随着干旱程度的增加，生态系统之间植被的脆弱性存在差异，这可能有助于预测未来的干旱影响。不同植被类型的干旱和植被异常的个体特征(发生时间、强度和严重程度)不同。例如，花叶草地和乔灌木农田对日益严重的干旱高度敏感；阔叶林比其他森林反应更快，而混交林比其他类型遭受更少的损害。大多数植被类型的干旱预警阈值的SPEI值在-1左右。

通过我们的影响分析框架，对一系列干旱响应特征的描述可以用于广泛的地区，以了解当前和未来可能对干旱的响应。

Highlight

本文使用了高时空分辨率对干旱和植被异常进行监测

本文研究了不同植被类型的植被脆弱性随干旱程度的增加而变化的差异，考虑了植物应对干旱的策略多样性

本文研究了不同植被遭受破坏开始响应干旱的阈值

Methods

使用叶面积指数(LAI)作为植被响应干旱的指标，因为LAI更能代表植被的结构和功能，且LAI是陆面模型中的一个关键参数，因为它影响冠层与大气之间的能量传递；采用ALAI（异常叶面积指数）来表征植被的异常；使用3个月时间尺度的SPEI干旱指数(从长期降水和蒸散发数据计算)来量化干旱。

本文的技术路线图：

干旱事件的开始日期、持续时间、峰值强度和严重程度：

干旱发生阈值：SPEI=-0.5

最长干旱事件及开始时间：选取了2018年所有低于-0.5的SPEI值，然后选取了最长干旱事件，并计算了最长干旱事件的开始日期

干旱持续时间：采用了2018年SPEI低于-0.5的天数

干旱峰值强度：2018年SPEI达到的最小值

干旱严重程度：2018年所有小于-0.5的SPEI值之和

植被异常计算：

通过对2018年的LAI值与之前15年(2004 - 2018年)LAI的均值和方差来计算LAI的异常：

Results

LAI异常和SPEI异常的空间分布图

图1 异常LAI (ALAI)的开始时间、持续时间、最大强度和严重程度

图2 SPEI的开始时间、持续时间、最大强度和严重程度

干旱发生、持续时间、强度和严重程度与不同类型植被的响应模式

图3 SPEI和异常LAI (ALAI)指标的比较

图3a：ALAI的发生时间总体上晚于最长干旱事件。草本植物和乔灌区延迟时间较短，表明这些植被类型对干旱更敏感。森林有较长的延时间，特别是针叶林和混交林表现出较长的延迟，表明它们具有一定的抗旱能力。稀疏植被表现出的异常可能与短干旱事件先于长干旱事件发生而导致植被受损有关。

图3b：所有植被类型的破坏持续时间普遍比实际干旱时间短。与其他植被类型相比，阔叶落叶林、针叶林和混交林受影响的时间相对较短(对应于较强的持续时间差异)，影响持续时间最长可达4 ~ 5个月。稀疏植被和湿地植被受干旱影响的持续时间也较短(即持续时间差异较大)，而草原和农田受干旱影响时间较长(即持续时间差异较小)。

图3c：草原的ALAI峰值强度最大，阔叶落叶林、针叶林、混交林和稀疏植被的峰值强度较弱。

图3d：阔叶落叶林和混交林的干旱严重程度较大。乔灌木林地的干旱程度与阔叶林相似，但乔灌木林地遭受的破坏更大。针叶林似乎生长在干旱严重的地区。

干旱与植被异常的等高线模式

图4 异常叶面积指数(ALAI)与干旱程度的等高线相关关系图（暗红色:高密度，淡红色:低密度）

为了帮助预测未来日益严重的干旱如何影响生态系统，我们探索了植被的脆弱性。ALAI程度与干旱程度的等高线模式为评价植被对干旱的脆弱性提供了新的视角。从图4可以看出：1.阔叶落叶林、针叶林和混交林（红色框住的）在不同干旱程度下植被受损程度较低。2.各植被类型的脆弱性存在差异，可能与当地条件的差异有关。

ALAI严重程度与干旱严重程度的比值

图5 2018年LAI与干旱强度的比值

ALAI严重程度与干旱严重程度的比值提供了另一种衡量脆弱性的指标（图5），表征单位干旱强度对植被引起的损害。结果显示，树木比草地和农作物更容易从深层吸收土壤水分；阔叶落叶林和针叶林表现出相似的脆弱性；花叶林是所有森林植被类型中最脆弱的，可能是由于与灌木和草本植被混合；在农业用地中，乔木/灌木作物的严重程度比最高(平均0.77)，表明乔木/灌木作物似乎比草本作物更脆弱；草地的脆弱性高于所有森林植被类型，高于除乔灌区外的所有农田；稀疏植被和湿地植被的脆弱性较低，稀疏植被可能受到其低LAI值的影响，这使得其变化检测不准确，湿地植被环境相对湿润，因此受干旱影响较小。

LAI异常早期预警信号判定

图6 不同植被类型LAI最长异常事件开始日期的SPEI值

ALAI事件发生时的SPEI值（图6）提供了干旱影响的早期预警信号，可以得到以下结论：

乔木/灌木农田和草本农田的LAI异常开始于轻度SPEI值。乔灌木农田的SPEI值开始于-0.5左右，草本农田的SPEI值开始于大于-1。

与其他陆地植被类型相比，森林的LAI异常发生在更强烈的干旱条件下，尤其是针叶林，其均值甚至低于湿地植被。对于混交林，LAI异常开始于相对剧烈的干旱，而大部分阔叶落叶林LAI开始在不那么剧烈的干旱时表现出异常。

其他植被类型的响应阈值均在SPEI = -1左右。

Conclusion

2018年的干旱对西欧大多数地区的植被生长均产生了重大影响。我们提供了量化SPEI和ALAI时空特征的指标，基于相同的标准来计算不同植被类型的植被对干旱的响应。该干旱分析框架有助于通过多种特征变量定量比较和理解干旱及其对植被影响之间的密切关系。该框架还可以揭示不同植被类型对干旱脆弱性的差异。基于干旱严重程度与其相应植被损害严重程度之间关系的脆弱性评估对区分不同植被应对日益严重的干旱情况的策略有重要意义。本文的多重指标框架为干旱影响评估、水管理和未来干旱预测研究打开了一个新的内部视角。

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